軟基堆載對臨近橋梁樁基的影響分析

■　陳秀瓊（福州福永高速公路有限責(zé)任公司，福州　350008）

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軟基堆載對臨近橋梁樁基的影響分析

■陳秀瓊
（福州福永高速公路有限責(zé)任公司，福州350008）

摘要本文采用有限元軟件模擬了在軟基上的堆載對臨近橋梁樁基的影響，分析了堆載規(guī)模等6種因素與橋梁樁基位移和彎矩的關(guān)系。結(jié)果表明：堆載寬度、堆載高度、軟土層厚度對于樁基位移和彎矩的影響最高，堆載會對橋梁樁基產(chǎn)生明顯的變形，原則上應(yīng)避免在橋梁兩側(cè)進(jìn)行堆載。

關(guān)鍵詞軟基堆載橋梁樁基被動樁分析與研究

在實(shí)際橋梁工程中，主要考慮的是樁頂荷載和樁側(cè)摩阻力荷載對橋梁結(jié)構(gòu)所造成的影響，對于樁側(cè)受力的研究較少。在樁側(cè)受力情況下，橋梁樁基起到“被動樁”的作用。“被動樁”是指樁基由于樁身周圍土體在自重和荷載作用下產(chǎn)生水平方向的作用而受到影響，卻并不直接承受外荷載，在側(cè)向堆載下導(dǎo)致土體各向變形對鄰近樁基產(chǎn)生了側(cè)向力的作用［1-4］。

隨著福建省公路建設(shè)的不斷發(fā)展，截至2015年年底，全省高速公路里程超過5000公里，在未來幾年，尚需完成更多里程的公路建設(shè)。在橋梁樁基的修筑過程中，常常由于樁基附近隨意堆載引起地面下沉，以致樁基受到軟土層側(cè)向位移的影響，導(dǎo)致樁體彎矩和變形過大，使相鄰樁基產(chǎn)生水平位移，從而引起橋梁等結(jié)構(gòu)功能失穩(wěn)甚至引發(fā)事故。因此，研究軟土地基堆載下對鄰近橋梁樁基的影響具有重要意義。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件從堆載大小等6種因素進(jìn)行模擬分析，為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

1　數(shù)值分析模型

1.1計(jì)算模型

本文采用巖土軟件GeoStudio中的Sigma/W模塊來進(jìn)行二維有限元分析，模擬并計(jì)算堆載荷載對臨近橋梁樁基所產(chǎn)生的彎矩和位移。

采用計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算范圍100m寬，有限元模型計(jì)算網(wǎng)格（不含樁頭承臺），在模擬過程中橋梁采用梁單元計(jì)算堆載對橋梁產(chǎn)生的彎矩，而在計(jì)算橋梁位移時橋梁采用網(wǎng)格單元能夠更接近實(shí)際結(jié)果。邊界約束條件在橋梁為梁單元時采用彈性支座約束，即認(rèn)為在邊界處彎矩為零，在橋梁為網(wǎng)格單元時采用固定支座約束，認(rèn)為在邊界處位移為零。地下水位埋深假定為5m，土層自上到下分別為素填土、軟土、粉質(zhì)粘土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化。由于在橋梁兩側(cè)隨意堆載的情況在施工現(xiàn)場屢見不鮮，因此堆載假定為棄土場的任意堆載，堆載土為有一定碾壓過的粘土，分為6層堆載，每層堆載計(jì)算時間為6d，堆載坡度假定為1：1。

圖1　數(shù)值計(jì)算的基本型（單位：m）

1.2計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)中軟土采用修正劍橋模型，由于其參數(shù)鉆探資料未涉及，因此選用參考文獻(xiàn)［3］中的參數(shù)（表1），土層參數(shù)參考實(shí)際工程鉆探資料而制定，其參數(shù)見表2，其余土層采用線彈性模型，見表3。橋身鋼筋混凝土材料選用各向異性線彈性模型，其中混凝土彈性模量取值18GPa，鋼筋取值200GPa，鋼筋混凝土材料y方向彈性模量取值為鋼筋和混凝土各自彈性模量的加權(quán)平均值，x方向彈性模量不考慮鋼筋，取混凝土彈性模量，具體數(shù)值見表3。

表1　軟土修正劍橋模型參數(shù)［3］

表2　各土層物理力學(xué)參數(shù)

表3　各土層物理力學(xué)參數(shù)

2　計(jì)算結(jié)果

基于以上模型，本文對6種主要影響因素與堆載對鄰近橋梁樁基所產(chǎn)生的位移和彎矩之間的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)前人研究［4-6］的結(jié)論，堆載對橋梁產(chǎn)生的橫向位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于豎向位移，右樁的整體位移大于左樁整體位移，因此分析位移時采用右樁身的橫向位移，位移方向水平向左；由于系梁的傳遞作用，左樁身的彎矩大于右樁身，因此分析彎矩時采用左樁身的彎矩。

2.1堆載的影響

本節(jié)主要從堆載高度、堆載寬度和堆載距離三個方面分析堆載自身因素對橋梁的影響。

2.1.1堆載高度

堆載高度是最直接影響堆載大小的因素，從圖2的計(jì)算結(jié)果可以看出：堆載高度為1m到6m的不同高度下，橋梁右樁基最大橫向位移分別為0.48cm、1.07cm、1.86cm、2.87cm、3.92cm和4.92cm，呈明顯增大趨勢，隨深度的增加呈先增大后減小的趨勢，最大值約位于軟土層11m厚深度處，因?yàn)榇颂庈浲磷冃沃底畲螅蛔髽痘畲髾M向位移分別為0.30cm、0.71cm、1.44cm、2.50cm、3.61cm和4.66cm，同樣隨深度呈先增大后減小的趨勢，最大位移位于系梁處，其總體位移略小于右樁基，因此在下文分析時采用右樁基橫向位移進(jìn)行分析。

從圖3的計(jì)算結(jié)果可以看出：在堆載高度從1m到6m的變化過程中，橋梁右樁基最大彎矩分別為471.1、946.1、1437.4、1993.6、2538.1和3016.8（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），呈明顯增大趨勢，隨深度的增加總體趨勢呈先增大后減小的趨勢，最大值約位于軟土層11m厚深度處，因?yàn)榇颂庈浲磷冃沃底畲螅蛔髽痘畲髲澗胤謩e為343.9、823.5、1499.0、2304.4、3098.0和3826.8（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），同樣隨深度呈先增大后減小的趨勢，最大彎矩位于系梁處，其最大彎矩大于右樁基，因此在下文分析時采用左樁基彎矩進(jìn)行分析。

圖2　不同堆載高度樁身橫向位移隨深度變化曲線

2.1.2堆載寬度

統(tǒng)一荷載堆載大小與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型時一致，即為88.92kN/m，左坡腳與橋梁距離也不變，改變荷載堆載底寬，分別取寬度為20m，25m，30m、35m和40m的荷載，模擬不同荷載寬度下橋梁樁基橫向位移和樁身彎矩變化。得出結(jié)論如圖4所示，樁身最大位移分別為3.95cm、4.92cm、5.60cm、5.96cm和6.19cm，隨堆載寬度增大呈明顯增大趨勢。

不同寬度下，樁身最大彎矩分別為3458.0、3826.7、3977.4、3933.5和3843.8（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），可以看出，樁身最大彎矩隨寬度的增加呈先增大后減小的趨勢，在30m時達(dá)到最大值，之后減小，其原因是因?yàn)殡S著堆載的寬度不斷增大，其重心也不斷偏離橋梁，堆載所造成的最大地基變形區(qū)域也不斷遠(yuǎn)離橋梁，同時，由于寬度增大造成的橋梁位移增加，也釋放了一部分能量，從而減小橋梁的作用力。

圖3　不同堆載高度樁身彎矩隨深度變化曲線

2.1.3堆載距離

不改變荷載的高度和寬度，改變堆載與橋梁的距離，以堆載右坡腳為基點(diǎn)距離橋墩左樁的距離為基準(zhǔn)，分別取距離為2m、5m、7m、10m、12m、15m、20m和 25m的堆載，模擬不同荷載寬度下橋梁樁基橫向位移和樁身彎矩變化。得出結(jié)論如圖5所示，樁身最大位移分別為4.92cm、5.22cm、5.45cm、5.79cm、5.94cm、6.06cm、5.78cm和4.55cm，呈先增大后減小趨勢，最大值在距離為15m時取得，其原因是在堆載離樁基較近的時候，樁身限制了地基沉降變形，從而對樁基的影響也有限，在15m時沉降達(dá)到最大，從而對樁基影響達(dá)到了最大，之后由于距離增大，逐漸遠(yuǎn)離樁基，影響逐漸減小；

樁身最大彎矩分別為3826.8、3510.6、3320.5、3047.0、2876.1、2647.5、2240.5和1614.6（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），彎矩值隨堆載距離的增加而減小。

圖4　不同堆載寬度樁身位移和彎矩隨深度變化曲線

2.2其他因素的影響

除了堆載本身尺寸外，還有眾多因素對橋梁結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生影響，例如地基承載力狀況，荷載作用等，本節(jié)主要分析軟土淤泥層厚度、硬殼層厚度和樁頂荷載的影響。

2.2.1軟土層厚度的影響

不同厚度的軟土淤泥層，在相同堆載作用下產(chǎn)生的位移必然不相同，對樁基產(chǎn)生的擠壓作用也不同，本節(jié)選取不同厚度的軟土層（10m、15m、20m和25m）進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出：樁身最大位移分別為2.99cm、4.09cm、4.75cm和4.92cm，樁身位移隨軟土層厚度的增加而增加；樁身最大彎矩分別為2231.7、3008.6、3570.3和3826.7（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），樁身彎矩隨軟土層厚度的增加而加大。

2.2.2硬殼層厚度的影響

地基表面的硬殼層即素填土厚度對樁基位移大小也會產(chǎn)生影響，本節(jié)選取不同厚度的硬殼層（1m，2m，3m，4m和5m）進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出：樁身最大位移分別為4.92cm、4.42cm、4.04cm、3.81cm和3.67cm，樁身位移隨硬殼層厚度的增加而減小；樁身最大彎矩分別為3840.3、3333.5、2911.0、2562.3和2285.3（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），樁身彎矩隨軟土層厚度的增加而減小。

2.2.3樁頂荷載的影響

圖5　不同堆載距離樁身位移和彎矩隨深度變化曲線

樁頂荷載主要包括行車荷載和人群荷載，選取不同大小的橋面荷載（0kPa、10kPa、20kPa、30kPa、40kPa）進(jìn)行分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出：樁身最大位移分別為4.92cm、5.00cm、5.08cm、5.17cm和5.28cm，樁身位移隨樁頂荷載的增加而增加；樁身最大彎矩分別為3840.3、3705.4、3571.5、3510.2和4263.1（單位kN·m，方向?yàn)樨?fù)），樁身最大彎矩隨軟土層厚度的增加呈先減小而后增大趨勢，在系梁處彎矩不斷減小，而橋面板處彎矩不斷增大。

綜合總結(jié)對比以上影響因素可以得出結(jié)論，堆載寬度、堆載高度和軟土層厚度對橋梁樁身位移和彎矩的影響較大，堆載距離、硬殼層厚度和樁頂荷載影響較小。

3　結(jié)語

本文通過采用二維巖土有限元軟基Geo-studio，對軟土地基上的堆載引起相鄰橋梁樁基側(cè)向變形效應(yīng)進(jìn)行了較詳細(xì)的分析，得出以下結(jié)論：

圖6　不同軟土層厚度下樁身位移和彎矩隨深度變化曲線

圖7　不同硬殼層厚度下樁身位移和彎矩隨深度變化曲線

圖8　不同樁頂荷載下樁身位移和彎矩隨深度變化曲線

（1）堆載高度達(dá)到6m時，樁身最大位移達(dá)到4.92cm，將對樁基造成明顯地破壞，樁基將可能出現(xiàn)開裂等狀況，說明樁側(cè)堆載對樁基變形造成明顯影響，應(yīng)嚴(yán)格采取措施預(yù)防此狀況發(fā)生。

（2）本文堆載位于橋梁右側(cè)，在堆載作用下橋梁右樁基最大位移值和最大彎矩值出現(xiàn)在軟土層約11m厚度處，橋梁左樁基最大位移值和最大彎矩值出現(xiàn)在系梁處，橋梁右樁基位移值略大于左樁基，左樁基最大彎矩值大于右樁基。

（3）樁基位移隨堆載高度、寬度的增加呈明顯增大趨勢，隨堆載距離的增加呈先增大后減小趨勢，在距離約15m處達(dá)到最大；彎矩隨堆載高度、距離的增大而減小，隨堆載寬度增大呈先增大后減小趨勢，約在30m寬度處達(dá)到最大。

（4）樁基位移隨軟土層厚度和樁頂荷載的增大而增大，隨硬殼層厚度的增加而減小；彎矩隨軟土層厚度的增大而增大，隨硬殼層的增大而減小，隨樁頂荷載的增大呈先減小后增大的趨勢。

（5）堆載寬度、堆載高度和軟土層厚度對橋梁樁身位移和彎矩的影響較大，堆載距離、硬殼層厚度和樁頂荷載影響較小。因此，從原則上應(yīng)避免在橋梁兩側(cè)進(jìn)行堆載，若迫不得已需要堆載時，應(yīng)從減小堆載規(guī)模和軟土層加固處理角度進(jìn)行考慮可以盡可能減小樁基位移。

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